通过调控相变与变形机制提高Fe-30Mn-xAl-3Si孪生诱导塑性（TWIP）钢的抗氢脆性

《Intermetallics》：Enhancing hydrogen embrittlement resistance in Fe-30Mn-xAl-3Si twinning-induced plasticity (TWIP) steels by modulating phase transformation and deformation mechanisms

　　

摘要

氢脆是暴露于含氢环境中钢材面临的关键挑战。本研究采用不同铝含量的Fe-30Mn-xAl-3Si孪生诱导塑性（TWIP）钢，研究了相组成和变形机制对氢脆抗性的影响。结果表明，增加铝含量会促使微观结构从单一γ-Fe相转变为γ-Fe/α-Fe双相结构，同时伴随γ-Fe比例和孪晶能力的降低。力学测试显示，较高的铝含量显著加剧了氢诱导的力学性能退化。表面裂纹分析和断口形貌进一步证实，低铝和中铝含量钢表现出有限的氢脆敏感性，而高铝TWIP钢则出现了细长的宽裂纹和浅微坑，表明存在严重脆化。微观结构评估表明，γ-Fe和变形孪晶通过降低氢的迁移率来提高氢脆抗性，而α-Fe的形成和以位错滑移为主的变形则促进不可逆氢捕获和裂纹萌生。总体而言，铝的添加控制了Fe-30Mn-xAl-3Si TWIP钢中的相演变、变形行为和氢脆抗性。这些发现阐明了铝驱动的相组成和变形机制调控如何决定TWIP钢的氢脆抗性，为设计用于更安全结构应用和能源应用的下一代高强耐氢合金奠定了基础。

引言

氢脆是一种有据可查且普遍存在的材料退化形式，其特征是氢原子在金属微观结构中的渗入、扩散以及随后的相互作用，导致力学性能的显著恶化[1,2]。常见的退化会导致延展性、断裂韧性和疲劳寿命的大幅降低，给航空航天、汽车和能源等行业的金属结构件的完整性带来巨大风险，甚至造成灾难[3, 4, 5]。因此，理解和减轻氢脆对于含氢环境中运行的金属材料及结构件的安全设计和寿命延长至关重要[6]。多年来，大量关于氢致断裂的科学研究和工业案例表明，多种相互关联的机理理论决定了氢脆的失效现象。

普遍接受的观点是，当氢原子能够降低晶界或界面处的原子结合强度时，就会发生氢致解离（HEDE），导致脆性断裂[7]。此外，氢原子倾向于在应力集中点（如裂纹尖端）处积聚[8]。这可以促进位错运动并使塑性变形局部化，导致裂纹扩展和宏观脆性断裂，即氢致局部塑性增强（HELP）氢脆机理[9]。除此之外，氢在金属材料中的吸收可能促进脆性氢化物相的形成，同样会导致脆性断裂[10]。

在面临氢脆挑战的众多金属材料中，以卓越强度和延展性为特征的孪生诱导塑性（TWIP）钢极易发生氢脆，这严重限制了其在汽车等行业的应用[11]。TWIP钢通常富含锰（Mn）且具有奥氏体结构，这源于较低的层错能所带来的高加工硬化能力[12]。根据合金成分，高Mn TWIP钢通常分为Fe-Mn-C、Fe-Mn-Al-C、Fe-Mn-Si-C和Fe-Mn-Al-Si体系[13,14]。相应地，合金化元素的添加会改变高Mn TWIP钢中的相稳定性和变形行为，从而改变相组成和活跃变形机制，包括马氏体相变、孪晶和位错滑移。例如，硅（Si）可驱动机械孪晶并进一步增强加工硬化和加工性能[15]；碳（C）含量对力学性能有重大影响，因为高碳含量提高了强度和断裂延伸率，同时影响相稳定性和变形行为[16]；铝（Al）被广泛用于调控TWIP钢的相组成和变形机制[17]。

近年来，由于高强度钢在恶劣环境中的持续使用以及氢作为潜在可持续能源载体的出现，高Mn TWIP钢中的氢脆问题持续引起广泛的研究兴趣，这进一步增加了暴露风险[18,19]。相应地，高Mn TWIP钢的氢脆行为强烈受相稳定性和活跃变形机制的影响[20,21]。根据合金成分和变形条件，塑性变形可能主要涉及机械孪晶和位错滑移，两者的相对贡献决定了应变硬化能力、强塑性平衡和变形均匀性[22,23]。氢在奥氏体中的扩散速度预期比在铁素体和马氏体中更慢；因此，以奥氏体为主的微观结构通常表现出更高的抗氢致损伤能力[24]。相比之下，铁素体或变形诱导马氏体的形成，以及相界面和其他微观结构不均匀性处的应变集中，可能促进氢的积聚和裂纹萌生。孪晶也可能通过提供阻碍氢传输的孪晶界并促进更均匀的变形来增强抗氢脆能力，但其效果取决于孪晶密度和整体微观结构状态[25]。因此，TWIP钢中的氢脆源于相组成和加载过程中激活的变形机制的耦合作用。

本研究旨在通过调整不同铝含量的Fe-30Mn-xAl-3Si TWIP钢（具有不同相组成和变形机制），对控制氢脆的机理进行更深入的基础研究，最终为开发更具抗性的材料和结构可靠性预测模型提供支持。

章节摘要

实验方法

通过真空电弧熔炼制备了三组不同铝添加量的Fe-30Mn-xAl-3Si TWIP钢锭。Mn、Si和Al的成分误差控制在±1 wt%以内，其他杂质元素控制在0.1 wt%以内。主要元素的化学成分详见表1。Fe-30Mn-xAl-3Si TWIP钢锭在1050~1150°C下进一步锻造为板材，总压缩比不低于30%，锻造样品的最终温度为

Fe-30Mn-xAl-3Si TWIP钢的初始相组成和微观结构

三组不同铝添加量的Fe-30Mn-xAl-3Si TWIP钢表现出不同的相组成，由XRD图谱鉴定，如图1a所示。在铝含量较低的Fe-30Mn-1Al-3Si和Fe-30Mn-3Al-3Si TWIP钢中，仅观察到具有面心立方（FCC）晶体结构的γ-Fe相。然而，在铝含量较高的Fe-30Mn-5Al-3Si TWIP钢中，额外引入了具有体心立方（BCC）晶体结构的α-Fe相。

未充氢和充氢Fe-30Mn-xAl-3Si TWIP钢的变形与开裂机理

先前的研究表明，金属的氢致失效与氢脆密切相关，金属可以通过增强孪晶能力来提高氢脆抗性[11]。这是因为高密度孪晶界可以充当障碍，阻碍氢原子的运动和扩散[26]。变形孪晶的引入细化了晶粒并增强了强度，而孪晶体积分数增加则降低了氢的

结论

综上所述，研究了铝诱导的相变和变形机制对Fe-30Mn-xAl-3Si TWIP钢氢脆抗性的影响，得出以下主要有意义的结论：

• 1)
  增加Fe-30Mn-xAl-3Si TWIP钢中的铝含量会导致从单一γ-Fe相向γ-Fe/α-Fe混合相的转变，同时伴随γ-Fe/α-Fe相比例和孪晶密度的降低。在5 wt%铝含量时，出现了明显的γ和α粗大晶粒，证实了铝在

CRediT作者贡献声明

任传西：撰写—初稿、方法论、研究、数据整理、概念构思。王猛：方法论、数据整理。郑志斌：方法论、数据整理。胡健：方法论、数据整理。杨浩坤：撰写—审阅与编辑、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作获得了中央高校基本科研业务费专项资金、广州市科技协会青年人才支持项目（QT-2024-047）、广东省国际科技合作项目（2025A0505020062）、广州市基础与研究项目（2025A04J5506）、国家自然科学基金（编号52301037）以及广东省科技协会青年科技人才支持计划

任传西|王猛|郑志斌|胡健|杨浩坤

四川省失效力学与工程灾害防护重点实验室，四川大学，成都，610207，中国